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摘要：水泥生料配料过程是水泥生产中的重要工序，其目的是将各种原料按照一定的比例混合制成水泥生料成品，生料中各种化学元素含量指标决定了水泥产品质量。水泥生料配料过程中存在着变量多、滞后性、非线性等特点，采用常规的配料方法会导致生料成品质量不稳定。文章根据水泥生料配料工艺存在的问题和难点，设计开发了水泥配料过程优化控制系统。
关键词：水泥生料；配料过程；优化控制
前言：目前，我国采用新型干法方式生产水泥已经非常普遍，而在水泥生产过程中，生料配料是一个关键的环节。所谓生料是由各种原料按照不同的比例进行配料、混均、粉磨至一定的细度制备而成的。我国水泥生料配料方法主要有三组分生料配料和四组分生料配料两种。在控制工艺上主要有钙铁控制和率值控制两种，而率值控制方法由于其较高的控制精度和效率，已经被广泛采用。总之，严格控制生料配料过程中的各种参量，是提高水泥质量和性能的主要途径；研究和完善水泥生料配料技术，对促进现代水泥工业发展有着重要的意义。因此，本文针对新型干法四组分配料方法展开研究，着重分析了水泥生料配料工艺，并设计了水泥生料配料的控制系统。
1 优化控制系统的整体结构
优化控制系统结构主要包括优化系统、控制系统、监控系统三个部分，优化控制系统主要是对电子皮带秤上各原料实际流量进行控制，使各化学成分在生料成品的百分含量达到生产指标要求。在配料过程中不仅要符合生料的指标，还要考虑控制生产成本，使生产成本降到最低，优化控制系统是实现以上所有功能的关键。水泥生料控制系统的结构功能图如图 1 所示。
监控系统主要是用 Win CC 软件来开发设计的监控画面，基本功能是对水泥生料配料过程中工艺参数以及设备运行状态的监控，主要包括各种原料流量设定值、实际值参数监测，以及生料仓的液位状态、原料实时在线趋势图、报警系统的监控和立磨机皮带秤电机、选粉机等设备的启停。监控系统能够及时监视控制整个配料过程，使整个系统更加准确无误的运行。优化系统以生料成品中化学元素含量指标为约束条件，控制生产成本最低为目标，运用序列二次规划法计算出各种原料的流量设定值，然后把这些原料流量设定值传送给底层回路进行 PID 调节控制，即通过控制变频器的输出频率大小来控制原料皮带秤驱动电机的转速，实现原料的实际流量值跟踪设定流量值，完成水泥生料配料过程。控制系统主要包括逻辑控制和连续控制，逻辑控制主要包括对立磨机、选粉机、电子皮带秤等设备的启停。在逻辑控制过程中，要注意各种控制设备的运行状态，建立设备间启停、联锁等逻辑控制避免造成设备损害。连续控制主要是通过 PID 控制变频器的输出频率来控制电子皮带秤上各原料的实时流量值变化，PID 的比例、积分、微分参数可以根据原料化学成分的改变而进行相关整定修改，使各原料实时流量值能够实时准确地跟踪原料的设定值。
2 水泥生料配料系统控制结构设计
根据系统总体工艺结构，采用上位机作为主控器，通过RS-485 总线与各功能控制器进行数据通信，组成总线式集散控制系统。基于 RS-485 总线所组成的网络允许接入一个主控制器，即是主从工作方式。总线的控制权始终在于主控制器，主控制器与各功能控制器的通讯采用广播式，这种方式下的纯数据采集系统通讯协议简单，通讯差错开销少。适合于集散式控制测量的场合。上位机是控制系统的核心，实现水泥生料配料的多种配方的存储与计算，进行系统运行的综合管理与监控，通过 RS-485 总线向各控制器索要生产数据、监控设备运行状态、发出控制命令及参数，指挥协调各部分有序高效工作，实现生产过程的自动化运行。控制系统总体结构如图二所示。
系统实现对多种物料的进料量及配比进行实时控制管理，定时对生产数据进行存档和打印，随时以图形及数据显示各物料的进料量、配比和电动机转数的设备运行参数，可随机地依据化验分析结构进行标准值的修改完善工作。石灰石、铁粉、粉煤灰、粘土、萤石、石膏等物料控制器结构如图三所示。物料控制器功能以 AT89S52 单片机为核心，对称重传感器和测速传感器的信号进行处理，经 A/D 转换送入单片机，单片机按上位机预先设置的配方值采用 PID 控制算法运算，去控制相应电动机的下料速度，实现对物料的计量控制。置光电隔离器以提高系统抗干扰能力，实施相关设备的控制以及相应参数的 LCD 显示。
3 水泥生料配料系统控制算法分析
水泥生料配料控制系统是按生产工艺要求，把各种原料按照配方控制计量，通过皮带进入生料磨，然后通过选粉机，合格的生料入生料均化库，不合格的返回生料磨。由上位机按预先设计的配方，确定各种原料的流量给定值，经系统 RS-485 通信总线将其发布给各物料配料控制器。当上位机由通信总线得到主料即石灰石的流量，因卡料、物料颗粒过大或过小、物料湿度的因素的影响，而有较大偏差时，起动主副随动算法，动态地给出新的各物料控制给定值。各物料配料控制器组成的单个物料配料系统可由图四分析：按照工艺流程，进入配料程序时，通过检测皮带机上物料重量和皮带电机的转速，经计算得到物料的流量，依据所采集的动态实时流量数据与给定值比较得到流量偏差，利用控制算法按偏差进行皮带秤电机的调速控制。同时将检测参数上传给上位机。
图四 物料配料控制器系统结构
其中，u（x，k）表示在 k 时刻第x种物料皮带秤机构控制值；R（x，k）表示在 k 时刻第 x 种物料第 y 秤预期配料流量；
G（x，k）表示在 k 时刻第 x 种物料称重传感器检测的单位长度 ΔL 上的重量；
V（x，k）表示在 k 时刻第 x 种物料测速感器检测的皮带线速度；
Q（x，k）表示在 k 时刻第 x 种物料的实际配料流量，
Q（x，k）＝V（x，k）×G（x，k）/ ΔL。
e（x，k）＝R（x，k）-Q（x，k），代表第 x 种物料的配料误差。
上述的分析了水泥生料配料工艺流程和各参数。
4 生料配料控制系统
通过在前面我们对水泥生料配料工艺的研究，已知率值控制在生料配料中有许多优点，因此针对水泥生料配料工艺的要求，采用率值控制方法，同时，根据我们前面建立的配料系统的数学模型，设计了以工控机为核心的水泥生料配料控制系统，如图五所示。
该系统由工控机主机、自动取样装置、多元素分析装置、电子皮带秤等构成闭环控制系统。该系统可通过自动取样装置和多元素分析装置配合使用，直接检测出磨生料的率值，实现在线调整，有利于生料成分的稳定，从而提高生料的易烧性和熟料的质量。同时，该系统设有自动控制和人工控制两种控制方式，如果系统出现故障时，可十分方便地切换到人工控制方式，实现现场控制优先，避免了因为系统故障影响生产而造成的重大损失。
图五 水泥生料配料控制系统方框图
5 结束语
本文对基于水泥生料配料系统的工艺过程设计了控制系统，基于主副随动的设计思想，在整体控制系统进行设计的基础上重点设计了对下位机的物料配料控制器硬件，并设计了上位机的 PID 控制系统。实际工程应用表明，该系统具有很好的控制精度和鲁棒性。
参考文献：
[1]水泥生料配料控制系统设计[J].阎焕忠，马斌，王长涛，董奎林.科技广场. 2010（01）
[2]线性规划法在水泥生料配料计算程序中的应用[J].凌士键.水泥技术.1989（05）
[3]水泥生料配料控制系统研究[J].刘彬，郝晓辰，李海滨.水泥技术. 2005（03）
论文作者:罗建明
论文发表刊物:《基层建设》2018年第7期
论文发表时间:2018/6/19
标签：生料论文; 水泥论文; 控制系统论文; 物料论文; 流量论文; 系统论文; 原料论文; 《基层建设》2018年第7期论文;